前言：

想了解 synchronized 是如何運(yùn)行的？就要先搞清楚 synchronized 是如何實(shí)現(xiàn)？ synchronized 同步鎖是通過 JVM 內(nèi)置的 Monitor 監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)的，而監(jiān)視器又是依賴操作系統(tǒng)的互斥鎖 Mutex 實(shí)現(xiàn)的，那接下來我們先來了解一下監(jiān)視器。

監(jiān)視器

監(jiān)視器是一個(gè)概念或者說是一個(gè)機(jī)制，它用來保障在任何時(shí)候，只有一個(gè)線程能夠執(zhí)行指定區(qū)域的代碼。

一個(gè)監(jiān)視器像是一個(gè)建筑，建筑里有一個(gè)特殊的房間，這個(gè)房間同一時(shí)刻只能被一個(gè)線程所占有。一個(gè)線程從進(jìn)入該房間到離開該房間，可以全程獨(dú)占該房間的所有數(shù)據(jù)。進(jìn)入該建筑叫做進(jìn)入監(jiān)視器（entering the monitor），進(jìn)入該房間叫做獲得監(jiān)視器（acquiring the monitor），獨(dú)自占有該房間叫做擁有監(jiān)視器（owning the monitor），離開該房間叫做釋放監(jiān)視器（releasing the monitor），離開該建筑叫做退出監(jiān)視器（exiting the monitor）。

嚴(yán)格意義來說監(jiān)視器和鎖的概念是不同的，但很多地方也把二者相互指代。

底層實(shí)現(xiàn)

下面我們在代碼中添加一個(gè) synchronized 代碼塊，來觀察一下它在字節(jié)碼層面是如何實(shí)現(xiàn)的？

示例代碼如下：

public class SynchronizedToMonitorExample {
    public static void main(String[] args) {
        int count = 0;
        synchronized (SynchronizedToMonitorExample.class) {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                count++;
            }
        }
        System.out.println(count);
    }
}

當(dāng)我們將上述代碼編譯成字節(jié)碼之后，得到的結(jié)果是這樣的： 

 從上述結(jié)果我們可以看出，在 main 方法中多了一對 monitorenter 和 monitorexit 的指令，它們的含義是：

• monitorenter：表示進(jìn)入監(jiān)視器。
• monitorexit：表示退出監(jiān)視器。

由此可知 synchronized 是依賴 Monitor 監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)的。

執(zhí)行流程

在 Java 中，synchronized 是非公平鎖，也是可以重入鎖。 所謂的非公平鎖是指，線程獲取鎖的順序不是按照訪問的順序先來先到的，而是由線程自己競爭，隨機(jī)獲取到鎖。 可重入鎖指的是，一個(gè)線程獲取到鎖之后，可以重復(fù)得到該鎖。這些內(nèi)容是理解接下來內(nèi)容的前置知識。 在 HotSpot 虛擬機(jī)中，Monitor 底層是由 C++實(shí)現(xiàn)的，它的實(shí)現(xiàn)對象是 ObjectMonitor，ObjectMonitor 結(jié)構(gòu)體的實(shí)現(xiàn)如下：

ObjectMonitor::ObjectMonitor() {
  _header       = NULL;
  _count       = 0;
  _waiters      = 0,
  _recursions   = 0;       //線程的重入次數(shù)
  _object       = NULL;
  _owner        = NULL;    //標(biāo)識擁有該monitor的線程
  _WaitSet      = NULL;    //等待線程組成的雙向循環(huán)鏈表，_WaitSet是第一個(gè)節(jié)點(diǎn)
  _WaitSetLock  = 0 ;
  _Responsible  = NULL ;
  _succ         = NULL ;
  _cxq          = NULL ;    //多線程競爭鎖進(jìn)入時(shí)的單向鏈表
  FreeNext      = NULL ;
  _EntryList    = NULL ;    //_owner從該雙向循環(huán)鏈表中喚醒線程結(jié)點(diǎn)，_EntryList是第一個(gè)節(jié)點(diǎn)
  _SpinFreq     = 0 ;
  _SpinClock    = 0 ;
  OwnerIsThread = 0 ;
} 

在以上代碼中有幾個(gè)關(guān)鍵的屬性：

• _count：記錄該線程獲取鎖的次數(shù)（也就是前前后后，這個(gè)線程一共獲取此鎖多少次）。
• _recursions：鎖的重入次數(shù)。
• _owner：The Owner 擁有者，是持有該 ObjectMonitor（監(jiān)視器）對象的線程；
• _EntryList：EntryList 監(jiān)控集合，存放的是處于阻塞狀態(tài)的線程隊(duì)列，在多線程下，競爭失敗的線程會(huì)進(jìn)入 EntryList 隊(duì)列。
• _WaitSet：WaitSet 待授權(quán)集合，存放的是處于 wait 狀態(tài)的線程隊(duì)列，當(dāng)線程執(zhí)行了 wait() 方法之后，會(huì)進(jìn)入 WaitSet 隊(duì)列。

監(jiān)視器執(zhí)行的流程如下：

• 線程通過 CAS（對比并替換）嘗試獲取鎖，如果獲取成功，就將 _owner 字段設(shè)置為當(dāng)前線程，說明當(dāng)前線程已經(jīng)持有鎖，并將 _recursions 重入次數(shù)的屬性 +1。如果獲取失敗則先通過自旋 CAS 嘗試獲取鎖，如果還是失敗則將當(dāng)前線程放入到 EntryList 監(jiān)控隊(duì)列（阻塞）。
• 當(dāng)擁有鎖的線程執(zhí)行了 wait 方法之后，線程釋放鎖，將 owner 變量恢復(fù)為 null 狀態(tài)，同時(shí)將該線程放入 WaitSet 待授權(quán)隊(duì)列中等待被喚醒。
• 當(dāng)調(diào)用 notify 方法時(shí)，隨機(jī)喚醒 WaitSet 隊(duì)列中的某一個(gè)線程，當(dāng)調(diào)用 notifyAll 時(shí)喚醒所有的 WaitSet 中的線程嘗試獲取鎖。
• 線程執(zhí)行完釋放了鎖之后，會(huì)喚醒 EntryList 中的所有線程嘗試獲取鎖。

以上就是監(jiān)視器的執(zhí)行流程，執(zhí)行流程如下圖所示：

總結(jié)

synchronized 同步鎖是通過 JVM 內(nèi)置的 Monitor 監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)的，而監(jiān)視器又是依賴操作系統(tǒng)的互斥鎖 Mutex 實(shí)現(xiàn)的。JVM 監(jiān)視器的執(zhí)行流程是：線程先通過自旋 CAS 的方式嘗試獲取鎖，如果獲取失敗就進(jìn)入 EntrySet 集合，如果獲取成功就擁有該鎖。當(dāng)調(diào)用 wait() 方法時(shí)，線程釋放鎖并進(jìn)入 WaitSet 集合，等其他線程調(diào)用 notify 或 notifyAll 方法時(shí)再嘗試獲取鎖。鎖使用完之后就會(huì)通知 EntrySet 集合中的線程，讓它們嘗試獲取鎖。

到此這篇關(guān)于Java synchronized底層的實(shí)現(xiàn)原理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java synchronized內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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